Всем приветик, сегодня вместе с Хокингом и его книгой "Мир в ореховой скорлупке" начнём разбирать теорию относительности. Чтобы не отвлекать вас, картинок сегодня будет мало. Пользуйтесь своим воображением, ничто не поможет вам лучше, чем оно.
Однажды Эйнштейну было 16 лет, и он задумался, каково это - путешествовать на луче света? "Должно быть" - подумал он - "световой сёрфинг - это очень круто!" Однако он задумался: как бы выглядел другой луч света, путешествующий рядом с ним? Эту загадку Эйнштейн решал 10 лет, и в свои 25 лет таки нашёл ответ, который, между прочим, перевернул человеческое представление о мире. Что же это был за ответ, и что в нём такого необычного? Давайте разбираться.
Итак, Эйнштейну 25, он только что закончил Политехникум, теперь у него был диплом преподавателя физики и математики. Характер у него был так-себе, так что работу нашёл не сразу, да и ту - в патентном бюро.
В это время учёный мир пришёл к выводу, что Вселенную окутывает "магический" эфир, и свет, как и другие электромагнитные явления - это результат колебания эфира, и всё, что остаётся сделать, чтобы раскрыть тайны мироздания - это измерить и описать эфир. Об этом забавном заблуждении, господствующем тысячелетия, можете почитать здесь.
Свет движется не так, как всё остальное...
Как мы привыкли видеть мир, особенно движение в нём? Допустим, мы движемся со скоростью 60 км/ч. Навстречу нам тоже движется объект со скоростью 50 км/ч. Нам будет казаться, что объект движется на нас с очень большой скоростью. Вспомните путешествия на поезде: всегда кажется, что встречный поезд несётся куда-то слишком быстро, хотя его реальная скорость может быть ниже нашей.
Наоборот, если мы движемся вперёд со скоростью 60 км в час, и рядом с нами движется объект со скоростью 50 км/ч, нам будет казаться, что этот второй едет очень медленно. Даже если скорость второго объекта будет превышать нашу, нам всё равно будет казаться, что объект, движущийся в одном направлении с нами, движется медленно.
Такой же эффект планировали наблюдать и для света. Более-менее точный эксперимент по измерению скорости света был поставлен в 1887 году в Огайо. И, о УЖАС! Оказалось, что свет движется с одинаковой скоростью независимо от того, движется он на наблюдателя или от него! И даже независимо от того, движется ли сам наблюдатель! СКОРОСТЬ СВЕТА ПОСТОЯННА!!! И равна она примерно 300.000 км в секунду.
Ещё одна особенность света
А вот другой пример из привычного нам мира: если мы сидим в поезде, мы воспринимаем себя как неподвижный объект, мы ведь просто сидим. Но для наблюдателя на платформе, который смотрит на нас в движущемся поезде, мы будем двигаться со скоростью поезда. Если мы вдруг встанем и куда-то пойдём в движущемся поезде, то для нас самих наша скорость будет равна примерно 5 км в час. Но для наблюдателя, который стоит на платформе, мы будем двигаться со скоростью, равной сумме нашей скорости и скорости поезда если будем идти в сторону движения поезда, и разности скорости поезда и нашей скорости, если мы будем идти в направлении, противоположном движению поезда.
Например, мы идём по вагону в сторону движения поезда со скоростью 5 км в час, поезд движется со скоростью 40 км в час, тогда наша скорость для наблюдателя на платформе будет равна 45 км в час (40 + 5). А если мы пойдём в противоположную движению поезда сторону со скоростью 5 км в час в поезде, который движется со скоростью 40 км в час, то наша скорость для наблюдателя на платформе будет 35 км в час (40-5).
Таким образом - скорость движения относительна, но это понял и рассказал всем ещё Галилей.
Но что же происходит со светом? Если поместить фонарь на поезд, и включить фонарь во время движения поезда, будет ли скорость света фонаря быстрее, чем скорость света фонаря, находящегося на неподвижной платформе? НЕТ! Мало того, что скорость света постоянна, и всегда будет одинакова вне зависимости от того, в какую сторону движется свет, но ещё и ничто не может двигаться быстрее скорости света - это предел в нашей Вселенной. И тут Галилей оплошал. Старая физика перестала во всём устраивать учёных и сочувствующих, ведь они не смогли с её помощью понять, почему свет всегда движется с одной и той же скоростью. На помощь в 1905 году пришёл Эйнштейн...
Специальная теория относительности
Вот тут начинаются чудеса. Казалось бы, ну постоянна скорость света вне зависимости от движения и направления этого движения, ну и что! А то, что из этого следует, что время для каждого течёт по-своему...
Загадочно, не правда ли? Эйнштейн начал с постулата о том, что законы физики для всех движущихся наблюдателей одинаковы. В том числе скорость света для всех этих наблюдателей должна быть одинаковой не зависимо от скорости и направления их движения. Из этого следует, что время для каждого наблюдателя идёт по-разному, время - это индивидуальный опыт. Время для двух человек течёт одинаково, только если они неподвижны относительно друг друга.
Чем быстрее мы движемся, тем медленнее идёт время. Иначе говоря, время расширяется.
Хочешь жить дольше - лети с запада на восток
Теория о непостоянном времени была подтверждена экспериментально. Хотя для нас она звучит дико, мягко говоря. Мы привыкли считать, что сидим мы или бежим, время для нас течёт одинаково. Но жизненный опыт не имеет ничего общего с реальностью :)
В одном эксперименте взяли два очень точных хронометра (это очень, очень точные часы). Один хронометр поместили в самолёт, который летел на запад, другой в тот, который полетел на восток. Когда оба самолёта вернулись, время на хронометрах было немного разным. Почему?
Давайте вспомним, что Земля вращается вокруг своей оси с запада на восток. Самолёт, который летел на запад, летел в направлении, противоположном вращению Земли: в таком случае мы вычитаем из скорости вращения Земли скорость самолёта. Самолёт, который летел на восток, летел в том же направлении, в котором вращается Земля: в таком случае мы прибавляем к скорости самолёта скорость вращения Земли. Итак, самолёт, который летел на восток, летел быстрее, чем тот, который летел на запад. Вспоминаем, что чем быстрее движется объект, тем медленнее для него идёт время. Так и получилось: на хронометре, который летел на восток прошло меньше времени, чем на хронометре, который летел на запад. Правда эта разница была почти ничтожной.
Хокинг пошутил, что, если вы хотите прожить дольше, летите постоянно на восток. Правда выигрыш времени от такого полёта будет невелик, всего лишь доли секунды, и он будет полностью нивелирован качеством пищи, которой кормят на борту :)
Парадокс близнецов
То, что время не абсолютно, а зависит от наблюдателя, приводит к очень интересным парадоксам. Например, к парадоксу близнецов.
Возьмём двух близнецов. Допустим, им по 20 лет. Одного из близнецов оставим на Земле, а другого отправим к звезде Проксима Центавра на космическом корабле, движущимся со скоростью света. Это мысленный эксперимент, поэтому такая скорость возможна. В реальной жизни только свет может двигаться со скоростью света. Почему - узнаем немного позже.
Расстояние до Проксима Центавры равно 4,2 световым годам: т.е. свет от этой звезды доходит до нас за 4,2 года. Итак, полёт от Земли до звезды займёт 4,2 световых года, полёт от звезды до Земли тоже займёт 4,2 года - всего около 8 лет. Но это для нас, для тех, кто остался на Земле. Для того, кто летит со скоростью света туда-обратно пройдёт всего лишь несколько недель: не забываем, чем быстрее мы движемся, тем медленнее для нас идёт время. Таким образом, когда близнец-космонавт вернётся на Землю, ему так и будет 20 лет, ведь для него прошло всего несколько недель. А тому близнецу, который ждал брата-космонавта на Земле, будет уже 28 лет, для него полёт его брата занял 8 лет.
Парадокс близнецов подтвердился, когда НАСА отправило одного из братьев-близнецов на МКС на 340 дней (почти на год)! После возвращения на Землю у близнеца, который находился целый год на МКС, а значит двигался быстрее того, который остался на Земле, удлинились теломеры. Теломеры - это концевые участки ДНК. Чем длиннее теломеры, тем моложе организм. В общем тот брат, который пробыл почти год на орбите, был моложе чем тот, кто остался на Земле. Правда через некоторое время их показатели сравнялись.
